Bewährtes Prinzip in neuer Mission
Sicherheitskupplung für internationale Raumstation ISS
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| Sicherheitskupplung für Trainingsgerät auf der ISS (Foto mit freundlicher Genehmigung von ESA u. OHB System) |
Drehmomente eines rotierenden Körpers erhält man aus dem Quotienten von Leistung und Winkelgeschwindigkeit. „Diese sicher begrenzen“, ist der Leitsatz, der bei Sicherheitskupplungen an oberster Stelle steht. Das Design und der Aufbau von solchen Überlastelementen wird nach dieser Anforderung ausgelegt. So arbeiten Sicherheitskupplungen mit ihren technischen Eigenschaften wie der Schnellabschaltung im Millisekundenbereich, in drehsteifer und absolut spielfreier Ausführung, mit geringer Restreibung sowie in kompakter und einfacher Bauweise gemäß diesem Ziel. Die Anwendungsbereiche im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau sind Werkzeugmaschinen, Fräsmaschinen, Automatisierungsanlagen oder Druckmaschinen. Gemäß dem Motto: „Ausnahmen bestätigen die Regel“ entwickelten die Konstrukteure von R+W, dem Kupplungshersteller vom Untermain eine Sicherheitskupplung (Bild 1) für die ISS, die im erdnahen Weltall ihre Umlaufbahnen zieht.
| Die Eckdaten der Weltraumstation: | ||
| Spannweite | 109 | Meter |
| Länge | 80 | Meter |
| Masse | 450 | Tonnen |
| Elektrische Leistung | 110 | Kilowatt |
| Betriebsdauer Mind. 15 | 15 | Jahre |
| Wohn- und Arbeitsraum | 1.200 | m3 |
| Umrundungshöhe | ca. 400 | km |
| Dauer einer Erdumrundung | 90 | min |
Die internationale Raumstation ISS ist eines der größten Technologieprojekte der Neuzeit. Seit dem 2. November 2000 forschen zwischen 2 und 3 Astronauten an zentralen Themen wie beispielsweise Biowissenschaften oder Materialwissenschaften. Deutsche Wissenschaftler untersuchen speziell das menschliche Gleichgewichtsystem, die Züchtung von Proteinkristallen, die Grundlagenphysik (Plasmaforschung) und strahlenbiologische Fragestellungen. Das Großforschungslabor wird derzeit von den Mitgliedstaaten der Europäischen Weltraumorganisation ESA, den USA, Russland, Kanada und Japan genutzt.
Die Rückbildung der Knochen und Muskeln der Astronauten während des bis zu 6 monatigen Aufenthalts ist eine bekannte Tatsache, denn unter der Schwerelosigkeit verändert sich der menschliche Körper: Das Gesicht schwillt an und die Beine werden dünner, weil die Körperflüssigkeit nach oben steigt. Die Raumfahrtmediziner wissen auch, dass bei längerem Aufenthalt im Weltraum die Abwehr gegen Infektionen sinkt, dass sich der Zuckerhaushalt verändert und dass sich Knochen und Muskeln aufgrund der geringeren Beanspruchung zurückbilden.
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| Einbausituation der Sicherheitskupplung zur Überlastsicherung mit freundlicher Genehmigung von ESA und OHB System. |
Um die Muskelrückbildung zu vermeiden wurde ein spezielles Trainingsgerät von der ESA und OHB System entwickelt. Ähnlich einer Ruderbank können mit deren Hilfe spezielle Muskelpartien der Astronauten trainiert werden. Eine spezielle Ausführung der R+W Sicherheitskupplung SK1 aus Edelstahl in abgedichteter Ausführung (Bild 2) dient als Schutzfunktion in diesem Trainingsgerät. Als Überlasteinheit in winkelsynchroner Ausführung wird bei zu großer Krafteinleitung des Astronauten die sensible Belastungseinheit geschützt. Die Wiedereinrastung nach 360 ° ermöglicht die positionsgenaue Wiederverfügbarkeit der Ruderbank. Im Dezember startet der nächste Versorgungsflug Richtung ISS. Nach der 15 tägigen Flugzeit wird das wartungsfreie Träningsgerät in der Raumstation fest integriert und dient in den nächsten Jahren der jeweiligen Besatzungsmannschaft zum Muskelaufbau.
Der Aufbau der speziellen Sicherheitskupplung weicht von der Standardkonstruktion in vielen Bereichen der Kupplung ab. Die Forderung des speziell abgedichteten Sicherheitsbauteils erfüllte der Kupplungshersteller mit Hilfe der bereits langjährigen Erfahrungen im Bereich von Vakuumanwendungen. Überlastbauteile die auf dem Kugel-Rast- Prinzip aufgebaut sind benötigen ein Gleit- bzw. Schmiermittel. Dies verhindert im Dauereinsatz eine Korrosion der Bauteile bzw. im Überlastfall (Ausrastung der Kupplung) ein zu starke Beanspruchung der Komponenten. Durch die Restreibung der Tellerfeder entsteht in der Kupplung bei wiederholten Ausrastvorgängen eine Erwärmung die zu einer niedrigeren Viskosität des Fettes führt. Überflüssiges Fett bzw. Schmiermittel tritt aus. Exakt dieses Verhalten musste bei der Sicherheitskupplung im Weltall vermieden werden. Sonderabdichtungen an allen Bauteilen und Komponenten der Kupplung inkl. ein verlängerter Schaltring dichten in der Kupplung das Fett hermetisch ab. Der eventuelle Austritt des überflüssigen Fettes bei wiederholtem Ausrasten wird somit vermieden.
Weiterhin fordert die ESA das alle eingesetzten Materialen eine Freigabe für Raumfahrtindustrie besitzen. Vor allem im Bereich der stark beanspruchten mechanischen Bauteile mussten die Komponenten der Sicherheitskupplung vorab getestet werden. Nach dem die erfolgreiche TÜV-Prüfung der R+W Sicherheitskupplungen für Standardanwendungen 2006 durchgeführt wurde, fand eine interne Prüfung nach ähnlichen Kriterien statt. Eine abschließende Dokumentation bzw. Auflistung aller Komponenten wie beispielsweise die exakte Fettbezeichnung (spezielles Mischung für Raumfahrt) erfüllten die hohen Anforderungen der Raumfahrtindustrie. Der Kupplungshersteller am Untermain entwickelt, konstruiert und fertigt Sicherheitsbauteile somit nicht nur „für“ die Raumfahrtindustrie sondern für einen „reellen“ Einsatz im Weltall. Dies zeigt das Know-how und die Professionalität des Herstellers für nicht alltägliche Anforderungen.
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| Produktgruppe SK von Überlastkupplungen für direkte und indirekte Antriebe. |
Neben diesen Sonderlösungen führt R+W Antriebselemente Sicherheitskupplungen für zwei verschiedene Bereiche (indirekte und direkte Antriebe) im Programm (Bild 3). Bei Indirekten Antrieben liegt der gesamte Antriebsstrang nicht auf einer Ebene. Die Rotationsachse der Antriebsseite liegt in einer parallel versetzten Ebene zur Abtriebsseite. Diese Art der Kraftübertragung wird meist aus Platzgründen gewählt. Je nach der Anforderung und dem zu übertragendem Drehmoment findet die Kraftübertragung über Riemen, Zahnräder oder Ketten statt. Zur spielfreien und vor allem wartungsfreien Kraftübertragung sind Kriterien wie beispielsweise Riemen- oder Kettenspannung, Lagerung im Bezug auf die Riemen oder Kettenbreite und letztendlich exakte Positionierung der An- und Abtriebsseite durch geringste fluchtende Abweichung sehr wichtig.
Neben der Dimensionierung von Lagern und Komponenten im Antriebsstrang ist bei Sicherheitskupplungen in diesem Anwendungsbereich die Berücksichtigung der Riemen- oder Kettenspannung ein wichtiger Bestandteil der Auslegung. Je nach Kupplungsgröße und Aufbau können Spannungen bzw. Zugkräfte von bis zu 20.000 N problemlos anliegen. Diese werden in der Kupplung durch spezielle integrierte Lager oder zusätzliche Nadel- oder Gleitlager kompensiert. Die Ausrichtung der Zahn- oder Riemenräder zueinander ist vor allem bei höheren Drehzahlen unabdingbar.
Mit direkten Antrieben bezeichnet man Antriebsstränge die auf einer Ebene liegen. Je nach Aufbau und Spezifikation sitzt die Antriebseinheit mit der Abtriebseinheit in einer Flucht. Bei der Bestimmung der Sicherheitskupplung ist neben dem Grenzdrehmomentes der Versatzausgleich zwischen den beiden Wellen zu beachten. Konstruktions- und Montagebedingt entstehen in nahezu allen Applikationen Versätze zwischen der An- und Abtriebsseite. Ursache dafür sind zum einen Toleranzen in der Maßhaltigkeit der anzubindenden Bauteile und zum anderen äußere Einflüsse auf den Antriebsstrang wie beispielsweise Temperatur oder Witterungsverhältnisse. Es treten axiale, angulare und laterale Versätze auf. Die Ausrichtung der An- und Abtriebsseite beeinflusst maßgeblich die Lebensdauer der Sicherheitskupplung und des gesamten Antriebsstrangs. Bei Einhaltung der vom Hersteller angegebenen maximalen Versätze sind die eingesetzten Kupplungen lebensdauerfest und müssen keiner regelmäßigen Wartung unterzogen werden.
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| Schnittzeichnung der Sicherheitskupplung ES2. |
Torsionssteife Sicherheitskupplungen zeichnen sich durch eine extrem hohe Verdrehsteifigkeit aus. Diese Verbindungselemente (Drehmomentbereiche von 0,1 Nm bis 2.800 Nm) werden nahezu immer zwischen zwei Wellen, Zapfen oder Flanschen eingesetzt. Die Kupplung besteht aus zwei Naben die zur Anbindung an die Welle benötigt werden, dem Sicherheitselement und dem Edelstahlmetallbalg. Der Edelstahlmetallbalg übernimmt zwei Funktionen im Antriebsstrang. Zum einen wird eine rotatorische Bewegung übertragen und zum anderen werden auftretende Fluchtungsfehler kompensiert. In Standardanwendungen sind Ausgleichswerte im Angularen Bereich von bis zu 2 Grad und im Lateralen Bereich von bis zu 0,35 mm möglich. Diese Werte sind durch den Aufbau des Metallbalges allerdings keine Grenzwerte. Für Sonderlösungen kann die Wellenanzahl auf bis zu 20 erhöht werden, damit die Versatzwerte erreicht werden.
Eine Überlastkupplung mit dämpfenden Eigenschaften (Bild 4) findet in Applikationen mit Drehmomentstößen und Vibrationen Ihren Einsatz. Zwischen dem Sicherheitselement mit Klemmnabe und der zweiten Kupplungshälfte werden Antriebsschwingungen von einem Elastomerstern aus thermoplastischen Polyurethan (TPU) aufgenommen. Aufgrund der federelastischen Eigenschaften des Elastomersterns ist diese Kupplung in der Lage, Achsversatz, Schwingungen und Stöße zu kompensieren. Das gute Dämpfungsverhalten wirkt sich in Anlagen mit häufiger Stoß-, Wechsel- oder Schwingungsbelastung positiv auf die Lebensdauer der verbundenen Aggregate aus. Je nach Anforderung, kann bei geringen Schwingungen oder leichten Stößen ein Elastomerkranz mit geringen dämpfenden Eigenschaften (hohe Torsionssteife) und bei stark schwingenden Systemen oder großen Stößen ein Elastomerkranz mit hohem Dämpfungsgrad (niedrige Torsionssteife) eingesetzt werden.
Für die Elastomerkränze kommen zwei Materialien zum Einsatz. Zum einen Thermoplastische Polyurethane (Abkürzung TPU), die als Standardmaterial gelten, da sie einen Temperaturbereich von –30 °C bis +120 °C und damit 90 % aller Anwendungen abdecken. Zum anderen HYTREL-Material, das über einen speziellen Aufbau verfügt und deshalb vor allem bei Anwendungen mit stark schwankenden Temperaturen (–60 °C bis +150 °C). Darüber hinaus wirken die Kupplungen aufgrund von Nocken an der Stirnseite des Elastomerkranzes elektrisch isolierend. Schwingungsdämpfende Sicherheitskupplungen decken einen Drehmomentbereich von 2 bis 900 Nm ab. Die Summe der beschriebenen Aspekte zeigt, dass im modernen Maschinenbau dem Kollisionsschutz eine besondere Bedeutung beizumessen ist.
Autor: Tobias Wolf, Produktmanager bei R+W Antriebselemente GmbH
in Klingenberg
Weiter zu den Eigenschaften der Sicherheitskupplung SK1 oder zum Datenblatt der Sicherheitskupplung SK1
Sicherheitskupplungen sorgen für eine sichere und präzise Drehmomentbegrenzung in Maschinen und Anlagen
